Fortschritte beim EAST-Fusionsreaktor: Überwindung des Greenwald-Limits und Erreichen des dichtefreien Regimes
Hintergrund: Die Bedeutung der Kernfusion
Kernfusion gilt als eine der vielversprechendsten Technologien für die zukünftige Energieversorgung. Im Gegensatz zur Kernspaltung, die in heutigen Atomkraftwerken genutzt wird, erzeugt die Fusion von Atomkernen keine langlebigen radioaktiven Abfälle und birgt kein Risiko einer unkontrollierbaren Kettenreaktion. Der EAST-Reaktor (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) in China ist einer der führenden Testreaktoren, die die Machbarkeit dieser Technologie erforschen.
Das Greenwald-Limit: Eine zentrale Herausforderung
Ein zentrales Hindernis für die Nutzung der Kernfusion ist das sogenannte Greenwald-Limit. Diese empirisch ermittelte Grenze beschreibt die maximale Plasmadichte, die in einem Tokamak-Reaktor aufrechterhalten werden kann, ohne dass es zu Instabilitäten kommt. Überschreitet das Plasma diese Dichte, entstehen Turbulenzen und Eruptionen am Plasmarand, die die Fusion stören und den Reaktor beschädigen können. Bisherige Versuche, diese Grenze zu überwinden, waren nur von kurzer Dauer und nicht skalierbar.
Der Durchbruch am EAST-Reaktor
Einem internationalen Forscherteam um Ping Zhu von der Huazhong Universität in China ist es nun gelungen, das Greenwald-Limit signifikant zu überschreiten und erstmals ein stabiles, dichtefreies Regime zu erreichen. In Experimenten am EAST-Reaktor erreichten sie eine durchschnittliche Elektronendichte, die das 1,3- bis 1,65-fache des Greenwald-Limits betrug. Trotz dieser hohen Dichte blieb das Plasma stabil, und es traten keine schädlichen Instabilitäten auf.
Methodische Innovationen
Der Erfolg basiert auf zwei zentralen Anpassungen: Erstens optimierten die Forscher den Druck des Wasserstoffgases, das in den Reaktor eingespeist wird. Zweitens verbesserten sie die Elektronen-Cyclotron-Resonanzheizung (ECRH), eine Methode, bei der Mikrowellen eingesetzt werden, um das Plasma aufzuheizen. Diese Maßnahmen reduzierten die Wechselwirkungen zwischen dem Plasma und der Reaktorwand, minimierten Energieverluste und verringerten die Anreicherung von Verunreinigungen. Dadurch konnte die Plasmadichte erhöht werden, ohne dass es zu den gefürchteten Instabilitäten kam.
Bedeutung für die Fusionsforschung
Die Ergebnisse der Studie, veröffentlicht in Science Advances, zeigen einen praktikablen Weg auf, wie die Dichtegrenzen in Tokamak-Reaktoren überwunden werden können. Dies ist ein entscheidender Schritt hin zu den extremen Bedingungen, die für eine effiziente Kernfusion notwendig sind. Die Forscher planen nun, diese Methodik auch im High-Confinement Modus des EAST-Reaktors zu testen, um die Stabilität und Effizienz weiter zu steigern. Langfristig könnten diese Fortschritte den Weg für kommerzielle Fusionsreaktoren wie ITER ebnen und die Vision einer sauberen, nahezu unerschöpflichen Energiequelle Realität werden lassen.
